Ciclo de Brayton

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Ciclo de Brayton 
 
O Ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico que descreve como funcionam as 
turbinas a gás. A ideia por trás do Ciclo de Brayton é extrair energia do fluxo de 
ar e combustível para gerar trabalho utilizável que pode ser usado para alimentar 
muitos veículos, dando-lhes impulso. As etapas mais básicas na extração de 
energia são a compressão do fluxo de ar, a combustão e a expansão desse ar 
para criar trabalho e também alimentar a compressão ao mesmo tempo. A 
utilidade do Ciclo de Brayton é enorme devido ao fato de ser a espinha dorsal na 
condução de muitos veículos, como jatos, helicópteros e até submarinos. 
A primeira turbina a gás que implementou o Ciclo de Brayton (sem conhecimento, 
no entanto, porque foi criada antes do Ciclo de Brayton ser estabelecido) foi a 
turbina a gás de John Barber patenteada em 1791. A ideia da máquina era 
comprimir o ar atmosférico em uma câmara e combustível em outra câmara e 
ambas as câmaras seriam conectadas a um vaso de combustão. Depois que o ar 
se mistura com o combustível e reage, a energia da combustão seria usada para 
girar uma turbina para fazer um trabalho útil. No entanto, como já no final do 
século 18 faltavam avanços tecnológicos e tal, a turbina a gás não tinha energia 
suficiente para pressurizar os gases e fazer trabalhos úteis ao mesmo tempo, 
portanto não era utilizada. 
George Brayton foi um engenheiro que projetou o primeiro motor de combustão 
contínua de ignição, um motor de dois tempos vendido sob o nome de "Brayton's 
Ready Motors". O projeto empregou processos termodinâmicos que agora são 
considerados "O Ciclo de Brayton", mas também é denominado Ciclo de Joule. A 
turbina a gás foi patenteada em 1872. O projeto era um motor conectado a um 
reservatório de ar atmosférico pressurizado e gás que só ligaria se uma válvula 
fosse girada. Isso liberaria o gás pressurizado para um vaso de combustão, que 
giraria os pistões para criar trabalho mecânico e recomprimir o gás no 
reservatório. 
 
Turbina a gás de John Barber (1791) 
O Ciclo de Brayton para a turbina a gás de John barber está incompleto devido 
ao fato de a energia não ser redirecionada para a compressão dos gases iniciais, 
mas como este foi um dos primeiros motores de turbina a gás proeminentes já 
criado, ele ainda tem muito significado. O combustível e o gás atmosférico são 
mantidos em diferentes câmaras e aquecidos para aumentar a pressão. Isso é 
em parte devido à lei do gás ideal PV = nRT, e como o volume do vaso permanece 
constante, um aumento na temperatura aumenta a pressão. O gás se combina 
em um compartimento quadrado onde uma faísca ou chama acende a mistura, 
que então aumenta rapidamente a temperatura (mas não a pressão porque o 
gás escapa rapidamente para girar a turbina). 
 
Embora este seja um motor de turbina a gás muito rudimentar, ele, no entanto, 
foi uma grande base para mais avanços científicos e o desenvolvimento do Ciclo 
de Brayton. 
Turbina a gás de George Brayton (1872) 
 
A turbina a gás de George Brayton foi a primeira e mais importante turbina a gás 
totalmente operacional que implementou o Ciclo de Brayton. O gás é 
pressurizado e mantido no reservatório A, onde uma válvula o liberaria para se 
mover pelo túnel B e acender na câmara C. Este é um processo isobárico, pois 
qualquer aumento na pressão apenas empurraria o gás para fora do 
motor. Quando o trabalho é feito no pistão D, o trabalho mecânico pode ser 
empregado para uma variedade de coisas, como geração de eletricidade ou 
movimento, e também há um pistão no compartimento E que suga o ar 
atmosférico da válvula F. A válvula G é um encaixe em uma célula de combustível 
onde a proporção de combustível para ar pode ser ajustada de modo que uma 
proporção desejada para eficiência máxima seja mantida. O gás é então 
comprimido mecanicamente de volta para o reservatório A através de um 
processo adiabático devido ao pistão E. 
Modern Day Jet Gas Turbine 
 
Este é um dos muitos motores modernos de turbina a gás que utilizam o Ciclo de 
Brayton para movimentar muitos veículos ou gerar energia. Na frente do motor 
está a entrada da câmara de compressão para que o ar seja sugado pelas muitas 
turbinas que estão constantemente girando e anguladas em um local específico 
para a compressão ideal do ar. O ar é comprimido o suficiente no meio do motor 
(o vaso de combustão), o combustível é adicionado à câmara de combustão e 
uma ignição é iniciada, onde a reação extremamente exotérmica faz com que o 
gás saia violentamente do motor na câmara de expansão na parte traseira do 
motor. 
 
 
 
Ciclo Brayton Ideal 
Uma rápida olhada qualitativa em como o Ciclo de Brayton funciona, revisando 
como funciona um motor a jato. Uma turbina a gás da asa de um jato suga o ar 
atmosférico da parte traseira de seu motor e é comprimido na câmara de mistura 
/ combustão. Na câmara de mistura / combustão, o combustível é misturado ao 
ar atmosférico comprimido, onde é inflamado e deixado para sair na câmara de 
expansão. A energia que sai da parte de trás da turbina a gás é o trabalho usado 
para acionar a etapa de compressão, bem como dar impulso ao jato. 
O Ciclo de Brayton pode então ser descrito quantitativamente no motor de turbina 
a gás de um jato por dois diagramas, o Diagrama de Temperatura / Entropia e o 
Diagrama de Pressão / Volume. 
Diagrama de temperatura / entropia 
Neste diagrama, vemos que existem 8 processos para descrever o ciclo de 
Brayton em termos de temperatura, entropia e pressão. 
 
(1) Ar ambiente na atmosfera que atualmente não está perturbado. 
(1 -> 2) O ar ambiente entra em contato com o compressor da turbina a 
gás e a pressão e a temperatura aumentam dramaticamente. O aumento 
na pressão vem do trabalho que está sendo feito no ar pelo compressor 
que empacota o ar no misturador / câmara de combustão, e o aumento na 
pressão causa um aumento na temperatura nas moléculas de gás porque 
o volume do vaso permanece constante (PV = nRT ) Por ser um processo 
ideal, acredita-se que a entropia permaneça a mesma, portanto, é 
https://chem.libretexts.org/@api/deki/files/9951/TS_Curve.jpg?revision=1
um processo isentrópico (na realidade, a entropia aumenta devido ao 
fluxo e ao movimento das moléculas de gás). 
(3 -> 5) O ar atmosférico foi compactado na câmara de combustão onde o 
combustível gasoso é misturado com o ar. Uma vez que essa mistura foi 
acesa, podemos ver um aumento acentuado na temperatura e entropia 
(não a pressão, porque as curvas representam um valor específico de 
pressão, então este é um processo isobárico ) devido à reação de 
combustão do combustível e do ar . A energia das ligações químicas no 
combustível é quebrada devido à ignição e ocorre uma reação altamente 
exotérmica que aumenta a entropia devido à quebra das cadeias de 
hidrocarbonetos para a água e o ar (mais moléculas) e aumenta a 
temperatura devido ao aumento da energia ambiente da reação 
exotérmica. 
(5 -> 8) No ponto 5, o combustível pressurizado e o ar saem da câmara de 
combustão para a câmara de expansão, onde observamos uma rápida 
queda de pressão devido ao maior volume e exposição ao entorno. A 
energia da câmara de combustão é usada para dois propósitos: girar uma 
turbina que está conectada ao compressor (que mantém o Ciclo de Brayton 
funcionando continuamente) e como empuxo. Esses dois propósitos 
representam o ponto 6 e idealmente é um processo isentrópico. A rápida 
queda na pressão mostra como a energia do ar na energia de combustão 
é usada mecanicamente para girar uma turbina que acionará o processo do 
compressor porque a energia necessária para comprimir a energia 
atmosférica é menor do que a energia produzida a partir da ignição do 
combustível. A energia que sobra do giro da turbina é usada como empuxo 
para fazer o trabalho (como voar em um jato). O ar expelido então se torna 
ar ambiente com um nível de energia mais alto do que o ar do ponto 1, 
mas eventualmente perderá energia para o ambiente (processo isobárico) 
ese tornará o ar ambiente inicial. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diagrama de pressão / volume 
Neste diagrama, existem seis processos que descrevem a pressão e o volume do 
gás. Um erro comum é pensar que o volume está relacionado ao vaso da reação, 
quando na verdade é o volume do gás. Este gráfico coincide com o diagrama TS, 
mas não avança pelos pontos ao mesmo tempo (porque este diagrama tem 
apenas 6 pontos). 
 
(1 -> 3) O ar ambiente é sugado para o compressor, onde o volume do gás 
cai rapidamente devido à compressão para a câmara de 
combustão. Conforme a compressão continua, a pressão do gás começa a 
subir rapidamente no ponto 2 após o volume da câmara de combustão ser 
preenchido e atinge o pico no ponto 3. No ponto 3, ocorre a ignição. 
(4 -> 6) Conforme ocorre a ignição, a pressão do gás permanece constante 
devido à face com que o gás consegue escapar para a câmara de expansão 
(observe que mesmo que o gás esteja saindo, o processo de compressão 
ainda está funcionando, então qualquer pressão a perda de gás que sai é 
mantida constante a partir do gás que entra na câmara de combustão), o 
que resulta em um aumento no volume do gás energizado. À medida que 
o gás sai para a atmosfera, a pressão cai e o volume do gás se expande 
para o que era no ponto 1. O trabalho é feito a partir da expansão do gás 
que empurra para fora da câmara de expansão com grande força. Essa 
força é então usada para girar turbinas e dar impulso. 
https://chem.libretexts.org/@api/deki/files/9950/PV_Curve.jpg?revision=1
Processos não ideais / realistas do ciclo de Brayton 
Os processos ideais mostrados nos diagramas acima são usados para estudar e 
entender melhor o Ciclo de Brayton. No entanto, algumas correções são 
necessárias quando aplicadas a problemas do mundo real. O primeiro problema 
é o fato de que no processo de compressão acredita-se que seja 
isoentrópico. Isso está errado, porque o fluxo de alta velocidade do ar ambiente 
aumenta a entropia (moléculas de energia mais alta) e, portanto, não é um 
processo isentrópico. Na verdade, é um processo adiabático porque nenhuma 
troca de calor ocorre no gás e apenas o trabalho mecânico é feito para 
compressão. Isso também está relacionado ao processo de expansão em que o 
gás se expande na câmara de expansão, mas ainda não saiu para a 
atmosfera. Idealmente, é isentrópico, mas a expansão do gás aumenta a 
entropia, portanto, é na verdade um processo adiabático porque, novamente, 
não há troca de calor (apenas trabalho mecânico feito pela expansão). 
Os processos não ideais do Ciclo de Brayton apontam um problema; que o 
trabalho usado para aumentar a entropia é, portanto, um vazamento na 
quantidade de trabalho que poderia ter sido usado para energia mecânica 
útil. Um conjunto de equações é então usado para calcular a eficiência do Ciclo 
de Brayton em certas pressões e temperaturas. 
Eficiência do Ciclo de Brayton 
Para encontrar a eficiência do Ciclo de Brayton, devemos descobrir quanto 
trabalho cada processo contribui para a energia interna total. Estaremos 
analisando o diagrama PV acima para fazer isso. 
Primeiro, a energia interna 
 
 
é igual a zero porque a primeira lei da termodinâmica afirma que a energia 
não é destruída ou criada e porque no ciclo de Brayton a função de estado final 
do gás é a inicial, U = 0. 
Isso significa 
 
Onde 1q é o calor recebido pela combustão (por isso é negativo) e q2q2 é o calor 
liberado após a expansão. 
Se você tratar o gás como um gás perfeito com aquecimentos específicos 
constantes, podemos descobrir que a adição de calor do combustor é 
 
e o calor perdido para a atmosfera 
 
 
Agora que expressamos a quantidade de calor perdido e ganho em termos de 
temperaturas, podemos restabelecer a equação para encontrar a eficiência 
térmica. 
onde c é a temperatura final do processo de combustão eb é a temperatura inicial 
antes da combustão e a é a temperatura inicial do gás não perturbado ed é a 
temperatura do gás após sua expulsão. Os números correspondentes às letras 
do gráfico PV são a = 2; b = 3; c = 4; d = 6. 
Quanto menor a relação de temperatura, maior é a eficiência do ciclo de 
Braytons. Ou seja, quanto maior for a entrada de calor no sistema e menor a 
perda de calor para a atmosfera reduzirá significativamente a relação de 
temperatura e terá um maior percentual de eficiência.